Индустрия производства дисплеев. Матрица IPS в современных ЖК мониторах: разновидности, выбор

Долгое время компьютерные мониторы и мобильные телефоны оснащались TFT-дисплеем. Казалось, что возможностей такой матрицы вполне хватает для просмотра качественной картинки. Но постепенно выяснилось, что существуют и другие технологии, позволяющие значительно увеличить углы обзора, а также повысить цветопередачу. Одной из таких технологий является IPS, речь о которой пойдет в данной статье.

В своё время изобретение IPS-дисплеев позволило создателям смартфонов и планшетов сделать большой скачок в качестве отображаемой картинки. Впервые мобильные устройства приблизились по этому параметру к плазменным телевизорам! Теперь смартфоны могли похвастать практически максимальными углами обзора, да и цветопередача начала приятно радовать глаз.

Варианты расположения субпикселей

Выполненная по технологии IPS матрица состоит из расположенных параллельно друг другу тонкоплёночных транзисторов. Или жидких кристаллов, как их называют гораздо чаще. Ещё одним отличием от TFT-дисплея является тот факт, что кристаллы при отсутствии напряжения (когда нужно добиться показа черного цвета) не поворачиваются. Именно эти два свойства приводят к тому, что цвета почти не искажаются, какой бы угол обзора не выбрал зритель. Также хорошо заметно, что IPS-экран выдает более глубокий черный цвет, особенно дорогая его вариация, встраиваемая во флагманские смартфоны или недешевые телевизоры.

Строение каждого субпикселя

Недостатки IPS-матриц

Параллельное расположение пикселей играет и отрицательную роль. К сожалению, экран IPS имеет длительное время отклика . Если разработчики не применяли дорогостоящие ухищрения, то этот параметр будет равняться примерно 5-8 мс. У TFT-матрицы этот параметр обычно не превышает 2-3 мс. Конечно, в обычной жизни такую разницу человек вряд ли заметит. Чувствуется приличное время отклика только в некоторых играх. Речь в данном случае идет об играх для PS4 и Xbox One, на смартфоне подобные проблемы совсем не ощущаются.

Другой недостаток технологии заключаются в высоком энергопотреблении . Как ни крути, а смартфоны с IPS-дисплеем расходуют заряд достаточно быстро. Связано это с тем, что поворачивать массив расположенных параллельно друг другу кристаллов (это нужно для показа того или иного цвета) заметно сложнее - для этого требуется большее напряжение. Именно поэтому телефоны с IPS-экраном обычно оснащаются либо ёмким аккумулятором, либо энергоэффективным процессором.

Поведение субпикселей при разной яркости

А вот цену однозначно занести в недостатки нельзя. Конечно, TFT-матрицы всё ещё дешевле, из-за чего таковые до сих пор встраиваются в кнопочные мобильники. Но разница уже не столь велика, поэтому даже сверхбюджетные смартфоны на базе Android всё чаще получают IPS-дисплей. Но нужно понимать, что не все экраны, созданные по этой технологии, являются одинаковыми. Наиболее дешевые всё же имеют некоторое искажение цветов при просмотре с определенных углов обзора. Но даже такие матрицы выдают гораздо более качественную картинку, нежели TFT-изделия.

Какой дисплей лучше: IPS или AMOLED?

Конечно, напрашивается сейчас и сравнение с гораздо более дорогостоящими экранами, выполненными по технологии AMOLED . Такие матрицы создаются на основе органических светодиодов. То есть, их пиксели не только расположены параллельно друг другу, благодаря чему достигаются максимальные углы обзора, они ещё и светятся самостоятельно! В связи с этим основанный на органических светодиодах дисплей предоставляет более глубокие черные цвета, в связи с чем и реалистичность картинки значительно повышается.

Итак, AMOLED vs IPS. Кто же побеждает? Конечно же, более дорогая матрица. Неспроста в наиболее продвинутые телевизоры встраиваются OLED-экраны . Отличие между дисплеями двух типов заметить очень легко, особенно если сравниваются матрицы, встроенные в относительно недорогие смартфоны. Тем не менее, нужно не забывать, что производство компактных AMOLED-дисплеев в нормальных объемах налажено только у Samsung . Конечно, южнокорейцы продают некоторый объем своей продукции на сторону, но до сих пор AMOLED-экраны встречаются в других смартфонах достаточно редко. В связи с этим выбирать покупателям не приходится - если сумма на покупку устройства выделена не особо большая, то придется искать аппарат с IPS-экраном.

Подведение итогов

Технология IPS не будет забыта ещё очень долго. Сейчас изготовленные по ней экраны имеют наилучшее соотношение цены и качества. Ни в коем случае не покупайте смартфон, оснащенный TFT-дисплеем - эта технология уже отжила своё. Ну а думать об AMOLED-экране нужно лишь при наличии достаточно крупной свободной суммы.

Или телевизор, то вы наверняка столкнетесь с термином IPS. Консультант в магазине электроники наверняка скажет вам, что IPS это очень круто, но что это такое он навряд ли объяснит. Поэтому в данной статье мы постараемся рассказать о том, что такое IPS, зачем оно нужно, а также чем оно лучше от других подобных технологий.

IPS что это

IPS – это один из типов жидко-кристаллических дисплеев. Данная технология появилась в 1996 году как результат исследований, которые проводились компаниями Hitachi и NEC. От этих двух компаний данная технология получила и два названия. Hitachi назвала данную технологию «IPS» (сейчас это название используется чаще всего), а компания NEC дала название «SFT». Сейчас улучшением данной технологии занимается еще и компания LG.

Технология IPS разрабатывалась как альтернатива более простой и популярной технологии жидкокристаллических дисплеев TN+film. Дисплеи TN+film отличаются невысокой стоимостью и быстрой реакцией . Однако такие дисплеи имеют плохие углы обзора. Если пользователь будет смотреть на такой дисплей не под прямым углом, то цвета будут искажаться. Степень искажения зависит от особенностей конкретного дисплея. Иногда искажения меньше иногда больше, но избавиться от них полностью технология TN+film не позволяет. Более того даже если пользователь смотрим прямо на дисплей, цветопередача все равно не будет идеальной.

Сравнение углов обзора IPS и TN+film (IPS сверху)

Технология IPS позволяет решить обе эти проблемы TN+film. Дисплей с матрицей IPS может выдавать одинаково хорошую картинку вне зависимости от угла, с которого сморит пользователь. При этом IPS матрицы обладают более правильной цветопередачей. Так технология IPS позволяет передать всю глубину цвета RBG 24 bit. Еще одно преимущество данной технологии – более правдивый черный цвет. Если у TN+film черный цвет больше похожий на темно-серый, то здесь черный действительно черный.

Макро фотография матриц TN+film и IPS (TN+film сверху)

История развития технологии IPS

В технических характеристиках монитора обычно указывается не просто IPS, а более конкретное название технологии. Например, e-IPS, P-IPS, AH-IPS, IPS-Pro и т.д. Для того чтобы не ошибиться при выборе монитора не обязательно знать все особенности каждой конкретной реализации технологии IPS. Главное знать к какому году относится данный вариант IPS матрицы, для того чтобы не купить откровенно устаревшее устройство. Ниже мы приводим таблицу, которая позволит быстро сориентироваться в данном вопросе.

Альтернатива IPS матрицам

Кроме IPS существуют и другие технологии, которые стремятся заменить популярные и дешевые TN+film матрицы. Ниже мы рассмотрим наиболее популярные альтернативы IPS матрицам.

• VA/MVA/PVA – технология, которая была разработана компанией Fujitsu в 1996 году. Основными преимуществами матриц на основе данной технологии являются: качественный черный цвет (как на IPS), а также цена, которая обычно ниже, чем в IPS. Главный недостаток VA/MVA/PVA матриц это искажения, которые появляются при изменении угла обзора. В зависимости от производителя данная технология может иметь и другие названия. Например, Super PVA от Sony-Samsung, ASV или ASVA от Sharp, Super MVA от CMO.

Сравнение углов обзора PVA и TN+film (PVA справа)

• PLS – технология от компании Samsung. Данная технология была впервые показана в 2010 году. Компания Samsung позиционирует данную технологию в качестве прямого конкурента IPS. Основными преимуществами PLS матриц являются: более низкая цена (по сравнению с IPS), хорошие углы обзора, качественная цветопередача, а также низкое потребление электроэнергии (на уровне матриц TN+film). Основным недостатком технологии PLS считается медленная реакция матрицы (5-10 мс, примерно тоже, что и у S-IPS).

Эмулируется мерцанием с дизерингом [ ] .

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• тип матрицы - определяется технологией, по которой изготовлен ЖК-дисплей;
• класс матрицы; стандарт ISO 13406-2 выделяет четыре класса матриц по допустимому количеству «битых пикселей »;
• разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ -мониторов, ЖК-дисплеи имеют одно фиксированное разрешение, а поддержка остальные реализуется путём интерполяции (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек, однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости);
• размер точки (размер пикселя) - расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением;
• соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) - отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.);
• видимая диагональ - размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: при одинаковой диагонали, монитор формата 4:3 имеет большую площадь, чем монитор формата 16:9;
• контрастность - отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению;
• яркость - количество света, излучаемое дисплеем (обычно измеряется в канделах на квадратный метр);
• время отклика - минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
  • время буферизации (input lag ). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20-50 ; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс ;
  • время переключения. Указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас (2016) практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 1-6 мс ;
• угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в технических параметрах своих мониторов углы обзора, такие, к примеру, как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (англ. contrast ratio ) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно контрастности при взгляде перпендикулярно экрану. В приведённом примере, при углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже, чем 10:1, при углах обзора 176°/176° - не ниже, чем до значения 5:1.

Устройство

Конструктивно дисплей состоит из следующих элементов:

• ЖК-матрицы (первоначально - плоский пакет стеклянных пластин, между слоями которого и располагаются жидкие кристаллы; в 2000-е годы начали применяться гибкие материалы на основе полимеров);
• источников света для подсветки ;
• контактного жгута (проводов);
• корпуса, чаще пластикового , с металлической рамкой для придания жёсткости.

Состав пикселя ЖК-матрицы:

• два прозрачных электрода ;
• слой молекул, расположенный между электродами;
• два поляризационных фильтра , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны.

Если бы жидких кристаллов между фильтрами не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения, это также стабилизирует свойства полученного изображения.

Малогабаритные ЖК-дисплеи без активной подсветки, применяемые в электронных часах, калькуляторах и т. п., обладают чрезвычайно низким энергопотреблением , что обеспечивает длительную (до нескольких лет) автономную работу таких устройств без замены гальванических элементов.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и множество недостатков, часто принципиально трудноустранимых, например:

• в отличие от ЭЛТ , могут отображать чёткое изображение лишь при одном («штатном») разрешении. Остальные достигаются интерполяцией ;
• по сравнению с ЭЛТ, ЖК-мониторы имеют малый контраст и глубину чёрного цвета . Повышение фактического контраста часто связано с простым усилением яркости подсветки, вплоть до некомфортных значений. Широко применяемое глянцевое покрытие матрицы влияет лишь на субъективную контрастность в условиях внешнего освещения;
• из-за жёстких требований к постоянной толщине матриц существует проблема неравномерности однородного цвета (неравномерность подсветки) - на некоторых мониторах есть неустранимая неравномерность передачи яркости (полосы в градиентах), связанная с использованием блоков линейных ;
• фактическая скорость смены изображения также остаётся заметно ниже, чем у ЭЛТ и плазменных дисплеев . Технология overdrive решает проблему скорости лишь частично;
• зависимость контраста от угла обзора до сих пор остаётся существенным минусом технологии. В ЭЛТ-дисплеях эта проблема полностью отсутствует;
• массово производимые ЖК-мониторы плохо защищены от механических повреждений. Особенно чувствительна матрица, не защищённая стеклом. При сильном нажатии возможна необратимая деградация;
• существует проблема дефектных пикселей . Предельно допустимое количество дефектных пикселей, в зависимости от размеров экрана, определяется в международном стандарте ISO 13406-2 (в России - ГОСТ Р 52324-2005). Стандарт определяет 4 класса качества ЖК-мониторов. Самый высокий класс - 1, вообще не допускает наличия дефектных пикселей. Самый низкий - 4, допускает наличие до 262 дефектных пикселей на 1 миллион работающих. Мониторы с ЭЛТ этой проблеме не подвержены;
• пиксели ЖК-мониторов деградируют, хотя скорость деградации наименьшая из всех технологий отображения, за исключением лазерных дисплеев , вообще не подверженных ей.
• не очень большой диапазон рабочих температур: происходит ухудшение динамических характеристик (и далее неработоспособность) при даже небольших отрицательных температурах окружающей среды.
• матрицы довольно хрупкие, а их замена весьма дорогостоящая

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила много сложностей в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

Технологии

Основные технологии при изготовлении ЖК-дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого в конкретных разработках.

Время отклика ЖК-мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс .

В настоящее время [когда? ] в России только два предприятия (московский МЭЛТ и саратовское НПП «Дисплей») разрабатывают и производят ЖК-дисплеи по технологиям TN и STN [ ] .

TN+film

TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово «film» в названии технологии означает «дополнительный слой», применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90 до 150°). В настоящее время приставку «film» часто опускают, называя такие матрицы просто TN. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое малое время отклика среди современных матриц [когда? ] , а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS

AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2), созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG Display.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True White Polarizer ) - разработана LG Display для корпорации NEC . Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества .

AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Увеличенная напряжённость электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.

MVA

Технология VA (сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) была представлена в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Наследницей технологии VA стала технология MVA (multi-domain vertical alignment ), разработанная компанией Fujitsu как компромисс между TN- и IPS-технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом, благодаря использованию технологий ускорения (RTC), эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля . Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (patterned vertical alignment ) от Samsung;
• Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD);
• Super MVA от CMO;
• ASV (advanced super view ), также называется ASVA (axially symmetric vertical alignment ) от Sharp.

Матрицы MVA/PVA считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.

PLS

PLS-матрица (plane-to-line switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS .

Достоинства:

• плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN) [ ] ;
• высокая яркость и хорошая цветопередача [ ] ;
• большие углы обзора [ ] ;
• полное покрытие диапазона sRGB [ ] ;
• низкое энергопотребление, сравнимое с TN [ ] .

Недостатки:

• время отклика (5-10 мс) сравнимо с S-IPS, лучше чем у *VA, но хуже чем у TN.

PLS и IPS

Компания Samsung не давала описания технологии PLS . Сделанные независимыми наблюдателями сравнительные исследования матриц IPS и PLS под микроскопом не выявили отличий . То, что PLS является разновидностью IPS, косвенно признала сама корпорация Samsung своим иском против корпорации LG: в иске утверждалось, что используемая LG технология AH-IPS является модификацией технологии PLS .

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее было видимым, нужен . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).

Внешнее освещение

Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени используют внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и так далее). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.

Подсветка лампами накаливания

В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.

Электролюминесцентная панель

Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.

Подсветка газоразрядными («плазменными») лампами

В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких

А также во всех дисплеях ноутбуков используются матрицы с 18-битным цветом (6 бит на каждый RGB-канал), 24-битность эмулируется мерцанием с дизерингом .

Вначале маленькие ЖК-дисплеи (с малым временем службы) нашли применение в наручных часах , калькуляторах, индикаторах и тп.

Большие экраны стали широко применяться с распространением набирающих спрос лэптопов и ноутбуков .

Технические характеристики

Важнейшие характеристики ЖК-дисплеев:

• Тип матрицы - технология, по которой изготовлен ЖК-дисплей.
• Класс матрицы - по ISO 13406-2 подразделяются на четыре класса.
• Разрешение - горизонтальный и вертикальный размеры, выраженные в пикселях . В отличие от ЭЛТ-мониторов, ЖК имеют одно фиксированное разрешение, остальные достигаются интерполяцией . (ЭЛТ-мониторы также имеют фиксированное количество пикселей, которые также состоят из красных, зеленых и синих точек. Однако из-за особенностей технологии при выводе нестандартного разрешения в интерполяции нет необходимости).
• Размер точки (размер пикселя) - расстояние между центрами соседних пикселей. Непосредственно связан с физическим разрешением.
• Соотношение сторон экрана (пропорциональный формат) - отношение ширины к высоте (5:4, 4:3, 3:2 (15÷10), 8:5 (16÷10), 5:3 (15÷9), 16:9 и др.)
• Видимая диагональ - размер самой панели, измеренный по диагонали. Площадь дисплеев зависит также от формата: монитор с форматом 4:3 имеет большую площадь, чем с форматом 16:9 при одинаковой диагонали.
• Контрастность - отношение яркостей самой светлой и самой тёмной точек при заданной яркости подсветки. В некоторых мониторах используется адаптивный уровень подсветки с использованием дополнительных ламп, приведённая для них цифра контрастности (так называемая динамическая) не относится к статическому изображению.
• Яркость - количество света, излучаемое дисплеем, обычно измеряется в канделах на квадратный метр.
• Время отклика - минимальное время, необходимое пикселю для изменения своей яркости. Составляется из двух величин:
  • Время буферизации (input lag ). Высокое значение мешает в динамичных играх; обычно умалчивается; измеряется сравнением с кинескопом в скоростной съёмке. Сейчас (2011) в пределах 20-50 мс; в отдельных ранних моделях достигало 200 мс.
  • Время переключения - именно оно указывается в характеристиках монитора. Высокое значение ухудшает качество видео; методы измерения неоднозначны. Сейчас практически во всех мониторах заявленное время переключения составляет 2-6 мс.
• Угол обзора - угол, при котором падение контраста достигает заданного, для разных типов матриц и разными производителями вычисляется по-разному, и часто не подлежит сравнению. Некоторые производители указывают в тех. параметрах своих мониторов углы обзора такие к примеру как: CR 5:1 - 176/176°, CR 10:1 - 170/160°. Аббревиатура CR (contrast ratio) обозначает уровень контрастности при указанных углах обзора относительно перпендикуляра к экрану. При углах обзора 170°/160° контрастность в центре экрана снижается до значения не ниже чем 10:1, при углах обзора 176°/176° - не ниже чем до значения 5:1.

Устройство

Субпиксел цветного ЖК-дисплея

Конструктивно дисплей состоит из ЖК-матрицы (стеклянной пластины, между слоями которой и располагаются жидкие кристаллы), источников света для подсветки , контактного жгута и обрамления (корпуса), чаще пластикового , с металлической рамкой жёсткости.

Каждый пиксель ЖК-матрицы состоит из слоя молекул между двумя прозрачными электродами , и двух поляризационных фильтров , плоскости поляризации которых (как правило) перпендикулярны. Если бы жидких кристаллов не было, то свет, пропускаемый первым фильтром, практически полностью блокировался бы вторым фильтром.

Поверхность электродов, контактирующая с жидкими кристаллами, специально обработана для изначальной ориентации молекул в одном направлении. В TN-матрице эти направления взаимно перпендикулярны, поэтому молекулы в отсутствие напряжения выстраиваются в винтовую структуру. Эта структура преломляет свет таким образом, что до второго фильтра плоскость его поляризации поворачивается и через него свет проходит уже без потерь. Если не считать поглощения первым фильтром половины неполяризованного света, ячейку можно считать прозрачной.

Если же к электродам приложено напряжение, то молекулы стремятся выстроиться в направлении электрического поля , что искажает винтовую структуру. При этом силы упругости противодействуют этому, и при отключении напряжения молекулы возвращаются в исходное положение. При достаточной величине поля практически все молекулы становятся параллельны, что приводит к непрозрачности структуры. Варьируя напряжение , можно управлять степенью прозрачности.

Если постоянное напряжение приложено в течение долгого времени, жидкокристаллическая структура может деградировать из-за миграции ионов. Для решения этой проблемы применяется переменный ток или изменение полярности поля при каждой адресации ячейки (так как изменение прозрачности происходит при включении тока, вне зависимости от его полярности).

Во всей матрице можно управлять каждой из ячеек индивидуально, но при увеличении их количества это становится трудновыполнимо, так как растёт число требуемых электродов. Поэтому практически везде применяется адресация по строкам и столбцам.

Проходящий через ячейки свет может быть естественным - отражённым от подложки (в ЖК-дисплеях без подсветки). Но чаще применяют , кроме независимости от внешнего освещения это также стабилизирует свойства полученного изображения.

С другой стороны, ЖК-мониторы имеют и некоторые недостатки, часто принципиально трудноустранимые, например:

Перспективной технологией, которая может заменить ЖК-мониторы, часто считают OLED -дисплеи (матрица с органическими светодиодами), однако она встретила сложности в массовом производстве, особенно для матриц с большой диагональю.

Технологии

Основные технологии при изготовлении ЖК дисплеев: TN+film, IPS (SFT, PLS) и MVA. Различаются эти технологии геометрией поверхностей, полимера, управляющей пластины и фронтального электрода . Большое значение имеют чистота и тип полимера со свойствами жидких кристаллов, применённого в конкретных разработках.

Время отклика ЖК мониторов, сконструированных по технологии SXRD (англ. Silicon X-tal Reflective Display - кремниевая отражающая жидкокристаллическая матрица), уменьшено до 5 мс.

TN+film

TN + film (Twisted Nematic + film) - самая простая технология. Слово film в названии технологии означает дополнительный слой, применяемый для увеличения угла обзора (ориентировочно - от 90 до 150°). В настоящее время приставку film часто опускают, называя такие матрицы просто TN. Способа улучшения контрастности и углов обзора для панелей TN пока не нашли, причём время отклика у данного типа матриц является на настоящий момент одним из лучших, а вот уровень контрастности - нет.

Матрица TN + film работает следующим образом: если к субпикселям не прилагается напряжение, жидкие кристаллы (и поляризованный свет, который они пропускают) поворачиваются друг относительно друга на 90° в горизонтальной плоскости в пространстве между двумя пластинами. И поскольку направление поляризации фильтра на второй пластине составляет как раз угол в 90° с направлением поляризации фильтра на первой пластине, свет проходит через него. Если красные, зеленые и синие субпиксели полностью освещены, на экране образуется белая точка.

К достоинствам технологии можно отнести самое маленькое время отклика среди современных матриц, а также невысокую себестоимость. Недостатки: худшая цветопередача, наименьшие углы обзора.

IPS (SFT)

AS-IPS (Advanced Super IPS - расширенная супер-IPS) - также была разработана корпорацией Hitachi в 2002 году. В основном улучшения касались уровня контрастности обычных панелей S-IPS, приблизив его к контрастности S-PVA панелей. AS-IPS также используется в качестве названия для мониторов корпорации NEC (например, NEC LCD20WGX2) созданных по технологии S-IPS, разработанной консорциумом LG.Philips.

H-IPS A-TW (Horizontal IPS with Advanced True Wide Polarizer ) - разработана LG.Philips для корпорации NEC. Представляет собой H-IPS панель с цветовым фильтром TW (True White - «настоящий белый») для придания белому цвету большей реалистичности и увеличения углов обзора без искажения изображения (исключается эффект свечения ЖК-панелей под углом - так называемый «глоу-эффект»). Этот тип панелей используется при создании профессиональных мониторов высокого качества.

AFFS (Advanced Fringe Field Switching , неофициальное название - S-IPS Pro) - дальнейшее улучшение IPS, разработана компанией BOE Hydis в 2003 году. Усиленная мощность электрического поля позволила добиться ещё больших углов обзора и яркости, а также уменьшить межпиксельное расстояние. Дисплеи на основе AFFS в основном применяются в планшетных ПК , на матрицах производства Hitachi Displays.

MVA/PVA

Матрицы MVA/PVA (VA - сокр. от vertical alignment - вертикальное выравнивание) считаются компромиссом между TN и IPS, как по стоимости, так и по потребительским свойствам.

Технология MVA (Multi-domain Vertical Alignment ) разработана компанией Fujitsu как компромисс между TN и IPS технологиями. Горизонтальные и вертикальные углы обзора для матриц MVA составляют 160° (на современных моделях мониторов до 176-178°), при этом благодаря использованию технологий ускорения (RTC) эти матрицы не сильно отстают от TN+Film по времени отклика. Они значительно превышают характеристики последних по глубине цветов и точности их воспроизведения.

MVA стала наследницей технологии VA, представленной в 1996 году компанией Fujitsu. Жидкие кристаллы матрицы VA при выключенном напряжении выровнены перпендикулярно по отношению ко второму фильтру, то есть не пропускают свет. При приложении напряжения кристаллы поворачиваются на 90°, и на экране появляется светлая точка. Как и в IPS-матрицах, пиксели при отсутствии напряжения не пропускают свет, поэтому при выходе из строя видны как чёрные точки.

Достоинствами технологии MVA являются глубокий чёрный цвет (при перпендикулярном взгляде) и отсутствие как винтовой структуры кристаллов, так и двойного магнитного поля . Недостатки MVA в сравнении с S-IPS: пропадание деталей в тенях при перпендикулярном взгляде, зависимость цветового баланса изображения от угла зрения.

Аналогами MVA являются технологии:

• PVA (Patterned Vertical Alignment ) от Samsung.
• Super PVA от Sony-Samsung (S-LCD).
• Super MVA от CMO.

PLS

PLS-матрица (Plane-to-Line Switching ) была разработана компанией Samsung как альтернатива IPS и впервые продемонстрирована в декабре 2010 года. Предполагается, что эта матрица будет на 15 % дешевле, чем IPS.

Достоинства:

• плотность пикселей выше по сравнению с IPS (и аналогична с *VA/TN);
• высокая яркость и хорошая цветопередача;
• большие углы обзора;
• полное покрытие диапазона sRGB;
• низкое энергопотребление, сравнимое с TN.

Недостатки:

• время отклика (5-10 мс) сравнимо с S-IPS, лучше чем у *VA, но хуже чем у TN;
• более низкая контрастность (600:1), чем у всех остальных типов матриц;
• неравномерная подсветка.

Подсветка

Сами по себе жидкие кристаллы не светятся. Чтобы изображение на жидкокристаллическом дисплее были видимым, нужен . Источник может быть внешним (например, Солнце), либо встроенным (подсветка). Обычно лампы встроенной подсветки располагаются позади слоя жидких кристаллов и просвечивают его насквозь (хотя встречается и боковая подсветка, например, в часах).

Внешнее освещение

Монохромные дисплеи наручных часов и мобильных телефонов большую часть времени использует внешнее освещение (от Солнца, ламп комнатного освещения и т. д.). Обычно позади слоя пикселей из жидких кристаллов находится зеркальный или матовый отражающий слой. Для использования в темноте такие дисплеи снабжаются боковой подсветкой. Существуют также трансфлективные дисплеи , в которых отражающий (зеркальный) слой является полупрозрачным, а лампы подсветки располагаются позади него.

Подсветка лампами накаливания

В прошлом в некоторых наручных часах с монохромным ЖК-дисплеем использовалась сверхминиатюрная лампа накаливания . Но из-за высокого энергопотребления лампы накаливания являются невыгодными. Кроме того, они не подходят для использования, например, в телевизорах, так как выделяют много тепла (перегрев вреден для жидких кристаллов) и часто перегорают.

Электролюминесцентная панель

Монохромные ЖК-дисплеи некоторых часов и приборных индикаторов используют для подсветки электролюминесцентную панель. Эта панель представляет собой тонкий слой кристаллофосфора (например, сульфида цинка), в котором происходит электролюминесценция - свечение под действием тока. Обычно светится зеленовато-голубым или жёлто-оранжевым светом.

Подсветка газоразрядными («плазменными») лампами

В течение первого десятилетия XXI века подавляющее большинство LCD-дисплеев имело подсветку из одной или нескольких газоразрядных ламп (чаще всего с холодным катодом - CCFL, хотя недавно стали использоваться и EEFL). В этих лампах источником света является плазма, возникающая при электрическом разряде через газ. Такие дисплеи не следует путать с плазменными дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрной газоразрядной лампой.

Светодиодная (LED) подсветка

В начале 2010-х получили распространение ЖК-дисплеи, имеющие подсветку из одного или небольшого числа светодиодов (LED). Такие ЖК-дисплеи (в торговле нередко называемые LED TV или LED-дисплеями) не следует путать с настоящими LED-дисплеями , в которых каждый пиксель сам светится и является миниатюрным светодиодом.

Производители

См. также

• Промышленный ЖК-дисплей

Примечания

Литература

• С. П. Мирошниченко, П. В. Серба. Устройство ЖКИ. Лекция 1
• Мухин И. А. Как выбрать ЖК-монитор? Компьютер-бизнес-маркет № 4(292), январь 2005. С. 284-291.
• Мухин И. А. Развитие жидкокристаллических мониторов BROADCASTING Телевидение и радиовещание: 1 часть - № 2(46) март 2005. С. 55-56; 2 часть - № 4(48) июнь-июль 2005. С. 71-73.
• Мухин И. А.

Большинство пользователей в наше время знают, что существует какая-то IPS матрица (например, у них на телефоне), но толком ответить на вопрос о том, что это такое, могут лишь единицы.

На самом деле данная аббревиатура расшифровывается как «In Plane Switching» и означает буквально «Переключение внутри плоскостей».

Раньше она использовалась в телевизорах, причем в профессиональных, а сейчас ее можно видеть в телефонах, планшетах и другой подобной технике.

Причиной такой популярности IPS является невысокая стоимость. Теперь переходим к непосредственному разбору технологии.

Технология отображения

Если вы когда-то изучали строение жидкокристаллической панели своего монитора или телевизора, то легко поймете то, о чем мы будем говорить дальше.

В данном случае панель состоит из следующих элементов:

Передний и задний поляризаторы.

Светофильтры.

Направляющие жидких кристаллов.

Сами жидкие кристаллы.

Электроды.

Управляющие транзисторы.

Подсветка.

Наглядно расположение всех этих элементов можете видеть на рисунке 1.

Кристаллы в таких матрицах поворачиваются при приложении электрического поля, причем делают это одновременно, то есть вместе. Это, кстати, главная особенность IPS. Благодаря такому подходу удалось добиться значительного увеличения угла обзора. Теперь он составляет 178 о, причем как по горизонтали, так и по вертикали.

Для сравнения вот вам две схемы других типов панелей – TN и VA.

Рис. 2 Наглядное отображение панелей TN и VA

Как видите, здесь жидкие кристаллы поворачиваются совсем по-другому, и картинка получается не такой яркой, насыщенной и ее не видно с угла 178 о.

А теперь пробежимся по вышеуказанным элементам. Как известно, поляризатором называется устройство, которое позволяет получать поляризованное оптическое излучение из излучения с произвольной поляризацией.

Другими словами, в этом устройстве выделяется часть естественного света, которая обладает нудным уровнем поляризации при отражении от поверхности. Это нужно для отображения картинки.

Дальше идут светофильтры. Их размещают по два, причем так, чтобы один был повернут перпендикулярно другому. Соответственно, свет не проходит через первый светофильтр. Благодаря этому удается добиться почти идеального отображения черного цвета (разумеется, ничего идеального в мире не существует, но все же). Интересно, что по этой же причине все «битые» пиксели имеют черный цвет, а не белый.

В это время молекулы поворачиваются на 90 о и начинают пропускать свет.

Этому процессу способствуют управляющие транзисторы. Дальше располагается еще один поляризатор и блок подсветки.

Как видите, в приведенных выше других типах матриц все происходит совершенно по-другому. Главное отличие состоит в конфигурации кристаллов. Но такое расположение всех элементов дает ряд существенных преимуществ перед конкурентами, о которых мы еще поговорим. Остановимся на этом более подробно.

Преимущества

Вот список особенностей, за счет которых IPS обгоняет на рынке другие типы матриц:

Цвет практически точно повторяет исходный. По крайней мере, цветовая гамма передается весьма адекватно. Грубо говоря, нет искажения цветов при передаче их от исходника. Причем это актуально для разных углов зрения. Вы можете видеть схему цветов и углов зрения на рисунке 3 трех вышеупомянутых типов матриц – IPS, TN и VA. Возможно это благодаря постоянной цветовой температуре.

Лучший отклик при переходе от серого к серому. Правда, если говорить о других вариациях, то там лучше, безусловно, себя проявляет TN-матрица. Но и это уже очень даже неплохо.

Повышенная устойчивость к давлению. Если говорить о той же VA, то если сильно нажать на экран, произойдет искаженная реакция и некорректное перемещение пикселей. В народе это называется «волнением». Как вы понимаете, такие явления для экранов не являются нормальными.

Самое главное преимущество – яркие и насыщенные цвета. Правда, есть более мощные варианты в этом отношении, например, AMOLED – фирменная разработка Samsung. Но она и стоит на порядок дороже в плане производства.

Также некоторые врачи и эксперты утверждают, что IPS в меньшей степени вредит глазам, чем другие типы экранов. Но это проверить практически невозможно, поэтому мы оставляем это утверждение на ваш суд – хотите верьте, хотите, нет. В любом случае, преимуществ у IPS достаточно.

Разновидности матриц

Разберем типы IPS, которые использовались раньше и которые используются сейчас.

Это позволит нам проследить за эволюцией технологии.

Итак, вот какие разновидности матриц существуют:

Собственно, это самое первое поколение данной технологии и его особенности мы уже разобрали выше.

Super-IPS или S-IPS (сокращенно). В сравнении с первым поколением, это имеет улучшенную контрастность и меньшее время отклика. То есть картинка, грубо говоря, быстрее попадала на экран, чем раньше, и была более качественное.

Advanced Super-IPS или AS-IPS. Увеличена прозрачность матрицы, за счет чего стала выше яркость. Уровень контрастности тоже стал выше.

Horisontal-IPS или H-IPS. Главное улучшение коснулось белого цвета – он стал более оптимизированным. Благодаря этому картинка получилась намного более реалистичной.

Enhanced-IPS или E-IPS. Прозрачность и время отклика стали лучше, а сама технология – дешевле в изготовлении. Интересно, что на порядок лучше стала и цветопередача.

Professional-IPS или P-IPS. В данном случае значительные улучшения претерпел цветовой охват. Если конкретно, то по стандарту Adobe RGB был охват в 98%, а в NTSC – 102%. На момент изобретения технологии (а это 2010 год) она была одной из лучших в мире.

Plane-to-Line Switching или PLS. Фактически, это отдельная технология, но базируется она именно на принципах IPS, поэтому ее тоже можно смело заносить в этот список. Отличие от прародителя состоит в возможности намного более плотно размещать пиксели, а также в более высокой возможности пропуска светы и высокой яркости. Также PLS имеет более низкое энергопотребление, чем IPS. Но они все равно используются намного более активно.

Возможно, в будущем развитие этой технологии приведет к созданию совершенно уникальной матрицы, которая по всем характеристикам будет выигрывать у остальных. О перспективах развития матрицы стоит поговорить более конкретно.

Перспективы развития

На сегодняшний день IPS является одним из самых активно используемых типов матриц для показа изображений.

Основное ее преимущество состоит в низкой стоимости производства при достаточно высоком качестве изображения.

Многие компании сегодня считают развитие техники с такими экранами основным направлением своей деятельности.

Практически все китайские смартфоны, за редким исключением, имеют именно такие дисплеи, и менять ничего производители не собираются.

Если кто-то не изобретет технологию, которая будет выдавать более качественное изображение и при этом меньше стоить, в ближайшем будущем абсолютно ничего не изменится. Сейчас есть технологии, которые выдают более качественную картинку или стоят дешевле, но обе эти характеристики не сочетает ни одна другая матрица. Напоследок рассмотрим, кто может конкурировать с IPS на рынке.

Конкуренты на рынке

Она является чем-то средним между рассматриваемой матрицей и TN.

Кстати, последнюю в качестве конкурента мы не рассматриваем, потому что там картинка совсем плохая в сравнении с IPS.

Также достойную конкуренцию может составить PLS.

У нее, как мы говорили выше, есть ряд преимуществ.

Самым сильным конкурентом модно считать AMOLED. Да, она дороже, но изображение получается настолько качественным, что люди готовы платить больше. На рисунке 5 вы можете видеть наглядное сравнение этих двух типов. Преимущество очевидно. А есть еще и Super-AMOLED, который затыкает рот даже обычному AMOLED.

Но пока IPS – это дешево, оно будет использоваться повсеместно.